C/S通信過程

程序流程圖

狀態轉換圖

服務器調用socket()、bind()、listen()完成初始化後，調用accept()阻塞等待，處於監聽端口的狀態，客戶端調用socket()初始化後，調用connect()發出SYN段並阻塞等待服務器應答，服務器應答一個SYN-ACK段，客戶端收到後從connect()返回，同時應答一個ACK段，服務器收到後從accept()返回。

數據傳輸的過程：
建立連接後，TCP協議提供全雙工的通信服務，但是一般的客戶端/服務器程序的流程是由客戶端主動發起請求，服務器被動處理請求，一問一答的方式。因此，服務器從accept()返回後立刻調用read()，讀socket就像讀管道一樣，如果沒有數據到達就阻塞等待，這時客戶端調用write()發送請求給服務器，服務器收到後從read()返回，對客戶端的請求進行處理，在此期間客戶端調用read()阻塞等待服務器的應答，服務器調用write()將處理結果發回給客戶端，再次調用read()阻塞等待下一條請求，客戶端收到後從read()返回，發送下一條請求，如此循環下去。

如果客戶端沒有更多的請求了，就調用close()關閉連接，就像寫端關閉的管道一樣，服務器的read()返回0，這樣服務器就知道客戶端關閉了連接，也調用close()關閉連接。注意，任何一方調用close()後，連接的兩個傳輸方向都關閉，不能再發送數據了。如果一方調用shutdown()則連接處於半關閉狀態，仍可接收對方發來的數據。

在學習socket API時要注意應用程序和TCP協議層是如何交互的：應用程序調用某個socket函數時TCP協議層完成什麼動作，比如調用connect()會發出SYN段應用程序如何知道TCP協議層的狀態變化，比如從某個阻塞的socket函數返回就表明TCP協議收到了某些段，再比如read()返回0就表明收到了FIN段

補充一下，其實TCP 共有11種狀態，上圖沒有出現的CLOSING狀態，當雙方同時關閉連接時會出現此狀態，替換掉FIN_WAIT2狀態。

查看端口狀態：netstat -pan | grep 端口號

socket函數說明

1. socket 函數

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol);
/*
作用：創建一個套接字用於通信
參數：
domain:
	AF_INET 這是大多數用來產生socket的協議，使用TCP或UDP來傳輸，用IPv4的地址
	AF_INET6 與上面類似，不過是來用IPv6的地址
	AF_UNIX 本地協議，使用在Unix和Linux系統上，一般都是當客戶端和服務器在同一臺及其上的時候使用
type:
	SOCK_STREAM 這個協議是按照順序的、可靠的、數據完整的基於字節流的連接。這是一個使用最多的socket類型，這個socket是使用TCP來進行傳輸。
	SOCK_DGRAM 這個協議是無連接的、固定長度的傳輸調用。該協議是不可靠的，使用UDP來進行它的連接。
	SOCK_SEQPACKET該協議是雙線路的、可靠的連接，發送固定長度的數據包進行傳輸。必須把這個包完整的接受才能進行讀取。
	SOCK_RAW socket類型提供單一的網絡訪問，這個socket類型使用ICMP公共協議。（ping、traceroute使用該協議）
	SOCK_RDM 這個類型是很少使用的，在大部分的操作系統上沒有實現，它是提供給數據鏈路層使用，不保證數據包的順序
protocol:
	傳0 表示使用默認協議。
返回值：
	成功：返回指向新創建的socket的文件描述符，失敗：返回-1，設置errno
*/

socket()打開一個網絡通訊端口，如果成功的話，就像open()一樣返回一個文件描述符，應用程序可以像讀寫文件一樣用read/write在網絡上收發數據，如果socket()調用出錯則返回-1。對於IPv4，domain參數指定爲AF_INET。對於TCP協議，type參數指定爲SOCK_STREAM，表示面向流的傳輸協議。如果是UDP協議，則type參數指定爲SOCK_DGRAM，表示面向數據報的傳輸協議。protocol參數的介紹從略，指定爲0即可。

2. bind

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
sockfd：
	socket文件描述符
addr:
	構造出IP地址加端口號
addrlen:
	sizeof(addr)長度
返回值：
	成功返回0，失敗返回-1, 設置errno

服務器程序所監聽的網絡地址和端口號通常是固定不變的，客戶端程序得知服務器程序的地址和端口號後就可以向服務器發起連接，因此服務器需要調用bind綁定一個固定的網絡地址和端口號。
bind()的作用是將參數sockfd和addr綁定在一起，使sockfd這個用於網絡通訊的文件描述符監聽addr所描述的地址和端口號。struct sockaddr *是一個通用指針類型，addr參數實際上可以接受多種協議的sockaddr結構體，而它們的長度各不相同，所以需要第三個參數addrlen指定結構體的長度。如：

struct sockaddr_in servaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); // 將servaddr清零
servaddr.sin_family = AF_INET; // 使用IPv4
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 綁定地址
servaddr.sin_port = htons(9999); // 綁定端口

首先將整個結構體清零，然後設置地址類型爲AF_INET，網絡地址爲INADDR_ANY，這個宏表示本地的任意IP地址，因爲服務器可能有多個網卡，每個網卡也可能綁定多個IP地址，這樣設置可以在所有的IP地址上監聽，直到與某個客戶端建立了連接時才確定下來到底用哪個IP地址，端口號爲9999

3. listen 函數

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
sockfd:
	socket文件描述符
backlog:
	排隊建立3次握手隊列和剛剛建立3次握手隊列的鏈接總數

查看系統默認backlog

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog

典型的服務器程序可以同時服務於多個客戶端，當有客戶端發起連接時，服務器調用的accept()返回並接受這個連接，如果有大量的客戶端發起連接而服務器來不及處理，尚未accept的客戶端就處於連接等待狀態，listen()聲明sockfd處於監聽狀態，並且最多允許有backlog個客戶端處於連接待狀態，如果接收到更多的連接請求就忽略。listen()成功返回0，失敗返回-1。

4. accept 函數

#include <sys/types.h> 		/* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
sockdf:
	socket文件描述符
addr:
	傳出參數，返回鏈接客戶端地址信息，含IP地址和端口號
addrlen:
	傳入傳出參數（值-結果）,傳入sizeof(addr)大小，函數返回時返回真正接收到地址結構體的大小
返回值：
	成功返回一個新的socket文件描述符，用於和客戶端通信，失敗返回-1，設置errno

三方握手完成後，服務器調用accept()接受連接，如果服務器調用accept()時還沒有客戶端的連接請求，就阻塞等待直到有客戶端連接上來。addr是一個傳出參數，accept()返回時傳出客戶端的地址和端口號。addrlen參數是一個傳入傳出參數（value-result argument），傳入的是調用者提供的緩衝區addr的長度以避免緩衝區溢出問題，傳出的是客戶端地址結構體的實際長度（有可能沒有佔滿調用者提供的緩衝區）。如果給addr參數傳NULL，表示不關心客戶端的地址。
我們的服務器程序結構是這樣的：

while (1) {
	cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
	connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
	n = read(connfd, buf, MAXLINE);
	......
	close(connfd);
}

整個是一個while死循環，每次循環處理一個客戶端連接。由於cliaddr_len是傳入傳出參數，每次調用accept()之前應該重新賦初值。accept()的參數listenfd是先前的監聽文件描述符，而accept()的返回值是另外一個文件描述符connfd，之後與客戶端之間就通過這個connfd通訊，最後關閉connfd斷開連接，而不關閉listenfd，再次回到循環開頭listenfd仍然用作accept的參數。accept()成功返回一個文件描述符用來和客戶端進行通信，出錯返回-1。

5. connect 函數

#include <sys/types.h> 					/* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
sockdf:
	socket文件描述符
addr:
	傳入參數，指定服務器端地址信息，含IP地址和端口號
addrlen:
	傳入參數,傳入sizeof(addr)大小
返回值：
	成功返回0，失敗返回-1，設置errno

客戶端需要調用connect()連接服務器，connect和bind的參數形式一致，區別在於bind的參數是自己的地址，而connect的參數是對方的地址。connect()成功返回0，出錯返回-1。

對以上函數進行封裝

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>

void perr_exit(const char *s)
{
	perror(s);
	exit(-1);
}

int Accept(int fd, struct sockaddr *sa, socklen_t *salenptr)
{
	int n;

again:
	if ((n = accept(fd, sa, salenptr)) < 0) {
		if ((errno == ECONNABORTED) || (errno == EINTR))
			goto again;
		else
			perr_exit("accept error");
	}
	return n;
}

int Bind(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen)
{
    int n;

	if ((n = bind(fd, sa, salen)) < 0)
		perr_exit("bind error");

    return n;
}

int Connect(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen)
{
    int n;

	if ((n = connect(fd, sa, salen)) < 0)
		perr_exit("connect error");

    return n;
}

int Listen(int fd, int backlog)
{
    int n;

	if ((n = listen(fd, backlog)) < 0)
		perr_exit("listen error");

    return n;
}

int Socket(int family, int type, int protocol)
{
	int n;

	if ((n = socket(family, type, protocol)) < 0)
		perr_exit("socket error");

	return n;
}

ssize_t Read(int fd, void *ptr, size_t nbytes)
{
	ssize_t n;

again:
	if ( (n = read(fd, ptr, nbytes)) == -1) {
		if (errno == EINTR)
			goto again;
		else
			return -1;
	}
	return n;
}

ssize_t Write(int fd, const void *ptr, size_t nbytes)
{
	ssize_t n;

again:
	if ( (n = write(fd, ptr, nbytes)) == -1) {
		if (errno == EINTR)
			goto again;
		else
			return -1;
	}
	return n;
}

int Close(int fd)
{
    int n;
	if ((n = close(fd)) == -1)
		perr_exit("close error");

    return n;
}

/*參三: 應該讀取的字節數*/
ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n)
{
	size_t  nleft;              //usigned int 剩餘未讀取的字節數
	ssize_t nread;              //int 實際讀到的字節數
	char   *ptr;

	ptr = vptr;
	nleft = n;

	while (nleft > 0) {
		if ((nread = read(fd, ptr, nleft)) < 0) {
			if (errno == EINTR)
				nread = 0;
			else
				return -1;
		} else if (nread == 0)
			break;

		nleft -= nread;
		ptr += nread;
	}
	return n - nleft;
}

ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n)
{
	size_t nleft;
	ssize_t nwritten;
	const char *ptr;

	ptr = vptr;
	nleft = n;
	while (nleft > 0) {
		if ( (nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0) {
			if (nwritten < 0 && errno == EINTR)
				nwritten = 0;
			else
				return -1;
		}

		nleft -= nwritten;
		ptr += nwritten;
	}
	return n;
}

static ssize_t my_read(int fd, char *ptr)
{
	static int read_cnt;
	static char *read_ptr;
	static char read_buf[100];

	if (read_cnt <= 0) {
again:
		if ( (read_cnt = read(fd, read_buf, sizeof(read_buf))) < 0) {
			if (errno == EINTR)
				goto again;
			return -1;
		} else if (read_cnt == 0)
			return 0;
		read_ptr = read_buf;
	}
	read_cnt--;
	*ptr = *read_ptr++;

	return 1;
}

ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen)
{
	ssize_t n, rc;
	char    c, *ptr;

	ptr = vptr;
	for (n = 1; n < maxlen; n++) {
		if ( (rc = my_read(fd, &c)) == 1) {
			*ptr++ = c;
			if (c  == '\n')
				break;
		} else if (rc == 0) {
			*ptr = 0;
			return n - 1;
		} else
			return -1;
	}
	*ptr  = 0;

	return n;
}

C/S通信過程和基本socket函數

C/S通信過程

程序流程圖

狀態轉換圖

socket函數說明

1. socket 函數

2. bind

3. listen 函數

4. accept 函數

5. connect 函數

對以上函數進行封裝

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